En el Parque Nacional Viñales se encuentra uno de los exponentes más espectaculares del carso tropical residual de montañas, con un desarrollo típico en rocas calizas Jurásico-Cretácicas.
Sus elevaciones cónicas y de torres, desarrolladas sobre estructuras dislocadas por eventos geológicos, le confieren rasgos tectónicos alpinos. El relieve predominante es de montañas bajas, en forma de mogotes y cadenas mogóticas, de poljas marginales o de contacto, un amplio desarrollo de cavernas, de valles flubio-cársicos, dolinas interiores y extensos campos de lapies o lapiaz (diente de perro) en sus más variadas dimensiones y morfologías.

El contacto entre rocas carsificables (cadenas mogóticas y mogotes aislados) y no carsificables de pizarras y esquistos (Aturas de Pizarras), confiere al paisaje rasgos únicos. Los efectos combinados de los procesos erosivos en pizarras y esquistos y los cársicos sobre calizas jurásicas, has traído consigo un comportamiento morfológico e hidrodinámicos muy particular. Como ejemplos están los valles de Viñales y Pan de Azúcar.

Las cuevas se originan principalmente por efecto de los ríos que discurren transversalmente en las poljas marginales, formadas en el contacto entre rocas diferentes. Estos ríos entran a la serranía cársica por sumideros siguiendo los planos de fracturas preexistentes en la roca. Tras su recorrido subterráneo descargan en los valles fuvio-cársicos de la vertiente opuesta.

En el área del Parque se encuentran los mayores y más impresionantes sistemas cavernarios de su tipo en Cuba, con una rica fauna de vertebrados fósiles y un notable número de evidencias arqueológicas. Tal es el caso de la Gran Caverna de Santo Tomás (46 km), el Sistema Palmarito-Novillo-Pan de Azúcar (48 km), el Sistema Cavernario de Guasasa (15 km) y el Sistema San Vicente ( 6 km), entre otros.